우리 대학 신소재공학부 전자재료공학전공의 정창규 교수 연구팀이 친환경 비납계 파이로클로르(Pyrochlore) 결정구조 세라믹스를 합성 및 제어하여 우수한 절연 성능과 에너지 저장 특성을 규명하며 학계의 주목을 받고 있다.

정 교수 연구팀은 카이스트 김도경 교수 연구팀, 한국원자력연구원 세라믹 연구그룹과 협력하여 납을 포함하지 않는 친환경 파이로클로르 세라믹을 성공적으로 합성하고, 최적의 열처리 조건을 통해 에너지 저장 특성과 절연 성능을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 합금/화합물 소재 분야의 저명한 저널인 『Journal of Alloys and Compounds』(학문 분야 상위 8.3%) 최신호에 게재됐다.

세라믹 커패시터는 전자 소자에서 전기를 일시적으로 저장하는 장치로, 현재 다층 세라믹 커패시터(MLCC)의 형태로 전자기기와 자율주행 차량 등의 핵심 부품으로 널리 사용되고 있다.

납(Pb)을 포함한 고효율 소재가 주로 사용되지만, 납의 인체 유해성과 온도 변화에 따른 에너지 저장 특성 저하로 무연 유전 세라믹 소재 개발이 절실해졌다. 특히, 전기차와 같은 미래 모빌리티의 중요성이 커지면서 온도 안정성, 절연 특성, 출력 특성이 뛰어난 커패시터 세라믹 소재 개발이 필수적이다.

이번 연구에서 연구팀은 Bi-Zn-Nb 계열 파이로클로르 산화물(BZN)의 미세 조직을 소결 공정을 통해 제어하고, 미세 조직과 에너지 저장 성능 간의 관계를 규명했다. 연구 결과, 열처리 온도에 따른 미세 조직 성장과 에너지 저장 및 변환 특성 간의 상관관계를 밝혀냈으며, 이는 BZN 계열에서 처음 확인된 성과로, MLCC와 같은 고집적 고효율 에너지 저장 소재로의 활용 가능성을 제시하고 있다.

정창규 교수는 “최근 소형 전고체 배터리 개발 공정으로 주목받고 있는 적층세라믹콘덴서(MLCC) 공정에 이번 연구에서 개발한 소재를 접목해 차세대 MLCC 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 기초연구실사업, 4단계 BK21 사업단 등의 지원을 받아 수행됐다.